W3

W3, STUDIA PŁ, TECHNOLOGIA ŻYWNOŚCI I ŻYWIENIA CZŁOWIEKA, ROK I, SEM 2, FIZYKA 2
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Politechnika Łódzka
Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki
Ćwiczenie
W-3
Dyfrakcja elektronów na polikrystalicznej warstwie grafitu
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest:
1. Obserwacja zjawiska dyfrakcji elektronów.
2. Pomiar odległości międzypłaszczyznowych w graficie.
1. Wstęp.
Wszystkie fale, niezależnie od rodzaju, ulegają odbiciu, załamaniu, dyfrakcji i interferencji.
Procesy te są wynikiem wzajemnego oddziaływania fali i cząstek ośrodków, które fala napotyka na
swojej drodze. Badanie powyższych zjawisk jest szeroko wykorzystywane zarówno do określania
własności fal (jeśli znana jest struktura ośrodka) jak i struktury ośrodka (jeśli znane są parametry
fali).
Dyfrakcja (ugięcie) fali pojawia się, gdy biegnąca fala napotyka “przeszkodę” o rozmiarach
zbliżonych do długości fali. Oddziaływanie fali z przeszkodą powoduje powstawanie fal wtórnych,
które następnie interferują ze sobą. Za przeszkodą tworzą się maksima i minima interferencyjne,
które dla obserwatora widoczne są jako zmiana kierunku rozchodzenia się fali.
W optyce używa się siatek dyfrakcyjnych do badania promieniowania z tzw. zakresu
widzialnego (od
4 ⋅10
−9
m
do
7 ⋅10
−9
m
) Siatkami dyfrakcyjnymi są (najczęściej) szklane
płytki w których rolę przeszkód pełnią regularnie rozmieszczone, nieprzepuszczalne dla światła
rysy.
Promieniowanie rentgenowskie (fale elektromagnetyczne o długościach
10
−10
m−10
−12
m
) jest wykorzystywane do badania struktury kryształów. Rolę siatki dyfrakcyjnej pełni w tym
przypadku sieć krystaliczna. Padająca na kryształ fala oddziaływuje z “przeszkodami”, którymi są
jony, atomy lub cząsteczki tworzące sieć kryształu.
Jeśli na kryształ pada płaska fala rentgenowska o długości to wynik oddziaływania
fali z siecią kryształu widoczny jest jako “odbicie” fali (rys.1).
Rys. 1.
Ilustracja do wyprowadzenia równania Braggów-Wulfa
Jeżeli różnica dróg 2przebytych przez promienie 1 i 2 wynosić będzie
n
(gdzie
n
=1, 2 , 3 ..... ) to promienie te docierać będą do detektora fal w zgodnych fazach, dając
maksimum interferencyjne.
Z rysunku 1 wynika, że =
d
sina zatem warunkiem uzyskania maksimum interferencyjnego
jest spełnienie równania:
2
d
sin=
n
(1)
Równanie (1) zwane jest równaniem Braggów-Wulfa. W przedstawionej postaci równanie
to nie uwzględnia zmiany prędkości fali przy przejściu z powietrza do kryształu.
Do badania struktur krystalicznych oprócz promieni rentgenowskich wykorzystuje się także
cząstki materii. Zgodnie z teorią korpuskularno-falową, cząstce materii obdarzonej pędem
p
,
odpowiada “fala materii” o długości
p
(2)
gdzie
h
- stała Plancka
Fale materii oddziaływują z krystaliczną “siatką dyfrakcyjną” analogicznie jak promienie
rentgenowskie, tworząc maksima i minima interferencyjne. Oddziaływanie wiązki rozpędzonych
cząstek z siecią krystaliczną można zatem opisać równaniem (1) przyjmując długość fali z
równania (2).
2. Przebieg pomiaru
Celem ćwiczenia jest obserwacja oddziaływania wiązki elektronów z warstwą polikrystalicznego
grafitu i wyznaczenie na tej podstawie odległości płaszczyzn sieciowych grafitu.
Schemat aparatury stosowanej w ćwiczeniu przedstawia rysunek 2.
Rys. 2.
Układ pomiarowy
W szklanej lampie próżniowej znajdują się
1. K - katoda (źródło elektronów)
2. H - cylinder Wehnelta (regulacja natężenia wiązki elektronów)
3. G - elektrody ogniskujące wiązkę
4. A - anoda
5. P - grafit polikrystaliczny
6. E - ekran pokryty luminoforem
=
h
Wiązka elektronów wybiegająca z katody K zostaje przyspieszona w polu elektrycznym
wytworzonym pomiędzy katodą i anodą (elektronom rozpędzonym w polu elektrycznym o napięciu
kilku kilovoltów odpowiadają fale materii o długościach zbliżonych do długości fal “twardego”
promieniowania rentgenowskiego).
Elektrony padając na warstwę polikrystalicznego grafitu ulegają “odbiciu” od płaszczyzn
sieciowych a następnie padają na ekran luminescencyjny, powodując jego świecenie. Badana
próbka grafitu ma strukturę polikrystaliczną, co oznacza, że znajdują się w niej obszary (krystality),
w których płaszczyzny sieciowe są różnie zorientowane w stosunku do kierunku padającej wiązki
elektronów. Jeżeli badana próbka nie posiada tekstury (tj. wyróżnionego kierunku ułożenia
krystalitów), krystality rozłożone są w niej chaotycznie a płaszczyzny sieciowe tworzą kąty od 0 do
90 stopni z kierunkiem wiązki padającej. Wśród wszystkich krystalitów znajdujących się w próbce
istnieją takie, w których dla pewnych zespołów płaszczyzn sieciowych, spełniony będzie warunek
wzmocnienia (1). Część wiązki padającej, która zostaje odbita od tych płaszczyzn tworzy wiązkę
odbitą w kształcie stożka. Obrazem tego stożka na ekranie lampy jest okrąg (rysunek 2). Jeżeli
warunek (1) spełniony zostanie dla dwóch (lub więcej) zespołów płaszczyzn o różnych
odległościach międzypłaszczyznowych to elektrony odbite od próbki tworzyć będą dwa (lub
więcej) stożki interferencyjne o różnych kątach rozwarcia i na ekranie zobaczymy dwa (lub więcej)
okręgi o różnych średnicach.
Jeżeli pomiędzy katodę i anodę lampy przyłożone zostanie napięcie
U
A
to energia
kinetyczna elektronów docierających do anody wynosić będzie:
E
K
=
eU
A
(3)
gdzie:
e
- ładunek elektronu.
Ponieważ
2
m
(4)
gdzie:
p
- pęd elektronu;
m
- masa spoczynkowa elektronu (dla napięć anodowych stosowanych w
ćwiczeniu można pominąć efekty relatywistyczne), docierające do warstwy grafitu elektrony mają
pęd:
E
K
=
p
2

2
meU
A
(6)
Aby fala o tej długości dała maksimum interferencyjne przy „odbiciu” od zespołu płaszczyzn
sieciowych odległych od siebie o
d
to zgodnie z warunkami (1) i (6) spełnione musi być równanie
2
dsin
=
nh

2
meU
A
(7)
Znając kąt i rząd interferencji
n
można obliczyć odległości płaszczyzn sieciowych, od których
nastąpiło „odbicie”. Ponieważ jasność obrazu interferencyjnego szybko maleje wraz ze wzrostem
rzędu interferencji, (co w niezaciemnionym pomieszczeniu praktycznie uniemożliwia zobaczenie
okręgów odpowiadających
n
>1), należy przyjąć, że obserwowane okręgi odpowiadają rzędowi
n
=1.
1

U
A
jest funkcją liniową a współczynnik
Z równania (7) wynika, że zależność sinod
nachylenia tej prostej wynosi
2
d

2
me
(8)
Za pomocą suwmiarki można zmierzyć średnicę
D
otrzymanych na ekranie okręgów. Średnica
okręgów i kąt związane są zależnością:
a
=
h
p
=

2
meU
A
(5)
któremu zgodnie z zależnością (2) odpowiada fala o długości
=
h
2
R
(9)
gdzie
R
jest promieniem lampy
R
=65
mm
.
sin4
=
D
Rys. 3.
Uzasadnienie
równania (9)
3. Kolejność czynności podczas pomiarów.
UWAGA
: włączenie układu pomiarowego do sieci i jego pierwsza regulacja musi być
przeprowadzona pod kontrolą dyżurnego inżyniera lub opiekuna dydaktycznego!
1. Włączyć zasilacz napięcia hamującego i ogniskującego.
2. Odczekać około 5 minut (
wygrzewanie katody lampy
).
3. Włączyć zasilacz napięcia anodowego.
4. Ustawić napięcie anodowe na wartość 4 kV.
5. Napięcie hamujące ustawić tak, aby na ekranie otrzymać wyraźne, ale niezbyt jaskrawe okręgi.
6. Napięcie ogniskujące ustawić w taki sposób, aby okręgi miały ostre krawędzie (
bez poświaty
).
7. Za pomocą suwmiarki zmierzyć średnicę każdego z otrzymanych okręgów. Sposób pomiaru
uzgodnić z opiekunem dydaktycznym.
8. Powtórzyć pomiary wg punktów 4–7 zwiększając napięcie anodowe każdorazowo o 0,5 kV aż
do maksymalnego napięcia 9 kV. Na czas regulacji napięcia anodowego zmniejszać jasność
obrazu do minimum!
9. Niezwłocznie po zakończeniu pomiarów wyłączyć jako pierwszy zasilacz napięcia anodowego a
następnie zasilacz napięć hamującego i ogniskującego.
4. Opracowanie sprawozdania
opis przeprowadzonych pomiarów (
bez wymieniania wykonywanych czynności
)
2. Tabele zmierzonych wartości napięć anodowych
U
A
oraz odpowiadających im średnic
D
dla
każdego z pierścieni.
3. Obliczenie wartości sin 4ze wzoru (9). Znając wartość sin 4 obliczyć kąt a
następnie wartość sin
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Krótki
 4. Obliczenie współczynników nachylenia prostych
sin=
f

U
A

metodą najmniejszych
kwadratów oraz błędu współczynników nachylenia.
5. Obliczenie odległości międzypłaszczyznowych
d
wg wzoru (8)
6. Obliczenie błędu wielkości
d
metodą różniczki zupełnej. Wpływ błędów wyznaczenia stałych
h,
e, m
na błąd wielkości
d
pominąć.

U
A

8. Dyskusję wyników (wykorzystać rysunek 4).

1
Rys. 4.
Odległości płaszczyzn sieciowych
w graficie
Literatura
1. Z. Bojarski, M. Gigla, K. Stróż, M. Surowiec; Krystalografia. Podręcznik wspomagany
komputerowo. PWN 1996.
2. Z. Trzaska Durski, H. Trzaska Durska; Podstawy krystalografii strukturalnej i rentgenowskiej.
PWN 1994.

1
7. Wykresy prostych
sin=
f
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • diabelki.xlx.pl
  • Podobne
    Powered by wordpress | Theme: simpletex | © Spojrzeliśmy na siebie szukając słów, które nie istniały.